Vật lý lượng tử là gì?

Vật lý lượng tử là nghiên cứu về vật chất và năng lượng ở cấp độ cơ bản nhất. Nó nhằm mục đích khám phá các đặc tính và hành vi của chính các khối xây dựng nên tự nhiên.

Trong khi nhiều thí nghiệm lượng tử kiểm tra các vật thể rất nhỏ, chẳng hạn như electron và photon, thì hiện tượng lượng tử lại ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta, tác động ở mọi quy mô. Tuy nhiên, chúng ta có thể không dễ dàng phát hiện ra chúng ở các vật thể lớn hơn. Điều này có thể gây ra ấn tượng sai lầm rằng hiện tượng lượng tử là kỳ lạ hoặc siêu nhiên. Trên thực tế, khoa học lượng tử lấp đầy khoảng trống trong kiến ​​thức vật lý của chúng ta để cung cấp cho chúng ta bức tranh hoàn chỉnh hơn về cuộc sống hàng ngày của mình.

Những khám phá về lượng tử đã được đưa vào hiểu biết cơ bản của chúng ta về vật liệu, hóa học, sinh học và thiên văn học. Những khám phá này là nguồn tài nguyên có giá trị cho sự đổi mới, tạo ra các thiết bị như laser và bóng bán dẫn, đồng thời cho phép tiến bộ thực sự đối với các công nghệ từng được coi là hoàn toàn mang tính suy đoán, chẳng hạn như máy tính lượng tử. Các nhà vật lý đang khám phá tiềm năng của khoa học lượng tử để biến đổi quan điểm của chúng ta về lực hấp dẫn và mối liên hệ của nó với không gian và thời gian. Khoa học lượng tử thậm chí có thể tiết lộ cách mọi thứ trong vũ trụ (hoặc trong nhiều vũ trụ) được kết nối với mọi thứ khác thông qua các chiều cao hơn mà các giác quan của chúng ta không thể hiểu được.

Nguồn gốc của Vật lý lượng tử
Lĩnh vực vật lý lượng tử ra đời vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900 từ một loạt các quan sát thực nghiệm về các nguyên tử không có ý nghĩa trực quan trong bối cảnh vật lý cổ điển. Trong số những khám phá cơ bản là nhận ra rằng vật chất và năng lượng có thể được coi là các gói rời rạc hoặc lượng tử, có giá trị tối thiểu liên quan đến chúng. Ví dụ, ánh sáng có tần số cố định sẽ cung cấp năng lượng theo lượng tử được gọi là "photon". Mỗi photon ở tần số này sẽ có cùng một lượng năng lượng và năng lượng này không thể bị chia nhỏ thành các đơn vị nhỏ hơn. Trên thực tế, từ "lượng tử" có gốc từ tiếng Latin và có nghĩa là "bao nhiêu".

Kiến thức về các nguyên lý lượng tử đã thay đổi khái niệm của chúng ta về nguyên tử, bao gồm một hạt nhân được bao quanh bởi các electron. Các mô hình ban đầu mô tả các electron là các hạt quay quanh hạt nhân, giống như cách các vệ tinh quay quanh Trái đất. Thay vào đó, vật lý lượng tử hiện đại hiểu rằng các electron được phân bổ trong các quỹ đạo, các mô tả toán học biểu thị xác suất tồn tại của các electron ở nhiều vị trí trong một phạm vi nhất định tại bất kỳ thời điểm nào. Electron có thể nhảy từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi chúng tăng hoặc mất năng lượng, nhưng chúng không thể được tìm thấy giữa các quỹ đạo.

Các khái niệm trung tâm khác đã giúp thiết lập nền tảng của vật lý lượng tử:

Lưỡng tính sóng-hạt: Nguyên lý này có từ những ngày đầu của khoa học lượng tử. Nó mô tả kết quả của các thí nghiệm cho thấy ánh sáng và vật chất có các đặc tính của hạt hoặc sóng, tùy thuộc vào cách chúng được đo. Ngày nay, chúng ta hiểu rằng các dạng năng lượng khác nhau này thực chất không phải là hạt hay sóng. Chúng là các vật thể lượng tử riêng biệt mà chúng ta không dễ dàng hình dung được.
Trùng hợp: Đây là thuật ngữ được sử dụng để mô tả một vật thể là sự kết hợp của nhiều trạng thái có thể xảy ra cùng một lúc. Một vật thể chồng chất tương tự như gợn sóng trên mặt ao là sự kết hợp của hai sóng chồng lên nhau. Theo nghĩa toán học, một vật thể chồng chất có thể được biểu diễn bằng một phương trình có nhiều hơn một nghiệm hoặc kết quả.
Nguyên lý bất định: Đây là một khái niệm toán học biểu thị sự đánh đổi giữa các quan điểm bổ sung cho nhau. Trong vật lý, điều này có nghĩa là hai đặc tính của một vật thể, chẳng hạn như vị trí và vận tốc của nó, không thể cùng lúc được biết chính xác. Ví dụ, nếu chúng ta đo chính xác vị trí của một electron, chúng ta sẽ bị giới hạn về mức độ chính xác mà chúng ta có thể biết được tốc độ của nó.
Sự vướng víu: Đây là hiện tượng xảy ra khi hai hoặc nhiều vật thể được kết nối theo cách mà chúng có thể được coi là một hệ thống duy nhất, ngay cả khi chúng ở rất xa nhau. Trạng thái của một vật thể trong hệ thống đó không thể được mô tả đầy đủ nếu không có thông tin về trạng thái của vật thể kia. Tương tự như vậy, việc tìm hiểu thông tin về một vật thể sẽ tự động cho bạn biết điều gì đó về vật thể kia và ngược lại.

Toán học và bản chất xác suất của các đối tượng lượng tử
Vì nhiều khái niệm của vật lý lượng tử rất khó, nếu không muốn nói là không thể hình dung được, nên toán học đóng vai trò thiết yếu trong lĩnh vực này. Các phương trình được sử dụng để mô tả hoặc giúp dự đoán các đối tượng và hiện tượng lượng tử theo những cách chính xác hơn những gì trí tưởng tượng của chúng ta có thể hình dung ra.

Toán học cũng cần thiết để biểu diễn bản chất xác suất của các hiện tượng lượng tử. Ví dụ, vị trí của một electron có thể không được biết chính xác. Thay vào đó, nó có thể được mô tả là nằm trong một phạm vi các vị trí có thể (chẳng hạn như trong một quỹ đạo), với mỗi vị trí liên quan đến xác suất tìm thấy electron ở đó.

Do bản chất xác suất của chúng, các đối tượng lượng tử thường được mô tả bằng "hàm sóng" toán học, là các giải pháp cho cái được gọi là phương trình Schrödinger. Sóng trong nước có thể được đặc trưng bởi độ cao thay đổi của nước khi sóng di chuyển qua một điểm đặt. Tương tự như vậy, sóng âm có thể được đặc trưng bởi sự nén hoặc giãn nở thay đổi của các phân tử không khí khi chúng di chuyển qua một điểm. Các hàm sóng không theo dõi một tính chất vật lý theo cách này. Các giải pháp cho hàm sóng cung cấp khả năng mà người quan sát có thể tìm thấy một vật thể cụ thể trong một loạt các lựa chọn tiềm năng. Tuy nhiên, giống như một gợn sóng trên mặt ao hoặc một nốt nhạc được chơi trên kèn trumpet được lan tỏa và không giới hạn ở một vị trí, các vật thể lượng tử cũng có thể ở nhiều nơi—và có các trạng thái khác nhau, như trong trường hợp chồng chập—cùng một lúc.

Quan sát các vật thể lượng tử
Hành động quan sát là một chủ đề được thảo luận đáng kể trong vật lý lượng tử. Vào giai đoạn đầu của lĩnh vực này, các nhà khoa học đã rất bối rối khi phát hiện ra rằng chỉ cần quan sát một thí nghiệm cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả. Ví dụ, một electron hoạt động giống như một sóng khi không được quan sát, nhưng hành động quan sát nó đã khiến sóng sụp đổ (hay chính xác hơn là "mất liên kết") và electron thay vào đó hoạt động giống như một hạt. Các nhà khoa học hiện nay hiểu rằng thuật ngữ "quan sát" gây hiểu lầm trong bối cảnh này, cho thấy có sự tham gia của ý thức. Thay vào đó, "đo lường" mô tả tốt hơn hiệu ứng, trong đó sự thay đổi về kết quả có thể do sự tương tác giữa hiện tượng lượng tử và môi trường bên ngoài, bao gồm cả thiết bị được sử dụng để đo hiện tượng. Tuy nhiên, ngay cả mối liên hệ này cũng có những cảnh báo và vẫn cần phải hiểu đầy đủ về mối quan hệ giữa phép đo và kết quả.

Thí nghiệm khe đôi
Có lẽ thí nghiệm mang tính quyết định nhất trong lĩnh vực vật lý lượng tử là thí nghiệm khe đôi. Thí nghiệm này, bao gồm việc bắn các hạt như photon hoặc electron qua một rào cản có hai khe, ban đầu được sử dụng vào năm 1801 để chứng minh rằng ánh sáng được tạo thành từ sóng. Kể từ đó, nhiều phiên bản của thí nghiệm đã được sử dụng để chứng minh rằng vật chất cũng có thể hoạt động như sóng và để chứng minh các nguyên tắc chồng chập, vướng víu và hiệu ứng quan sát.

Lĩnh vực khoa học lượng tử có vẻ bí ẩn hoặc phi logic, nhưng nó mô tả mọi thứ xung quanh chúng ta, cho dù chúng ta có nhận ra hay không. Việc khai thác sức mạnh của vật lý lượng tử tạo ra các công nghệ mới, cho cả các ứng dụng mà chúng ta sử dụng ngày nay và những ứng dụng có thể có trong tương lai.